龐松嶺,黎智,趙海龍,王俊,陳川,黃廷城
(1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,???570311;2.熱帶智能電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室,???570311;3.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510663;4.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院,重慶 400000)
隨著新能源電動(dòng)汽車(chē)的大范圍推廣及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,電動(dòng)汽車(chē)的充電需求也在不斷的增加[1-2],新能源汽車(chē)充電設(shè)施作為中國(guó)“新基建”的重點(diǎn)建設(shè)領(lǐng)域,必將在未來(lái)數(shù)年得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)出臺(tái)了多項(xiàng)政策,支持推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的健康快速發(fā)展。根據(jù)《海南省清潔能源汽車(chē)發(fā)展規(guī)劃》,力爭(zhēng)在2030 年達(dá)到新增和更換新能源汽車(chē)比例100 %。提出打造全島“一張網(wǎng)”的運(yùn)營(yíng)模式工作要求,積極推動(dòng)“碳達(dá)峰、碳中和”工作,構(gòu)建低碳化海島交通系統(tǒng)。
在新能源發(fā)展工作的推進(jìn)過(guò)程中,電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施也面臨著一系列環(huán)境適應(yīng)性和標(biāo)準(zhǔn)體系完善等難題。海南省地處熱帶北緣,屬熱帶季風(fēng)氣候,邊緣熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)夏季經(jīng)常出現(xiàn)高溫配合高濕天氣,年平均日照時(shí)數(shù)2 000 h,沿海地區(qū)長(zhǎng)期維持高鹽霧環(huán)境條件[3],電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施在投運(yùn)1~2年后出現(xiàn)不同程度的外殼腐蝕、涂層開(kāi)裂、柜內(nèi)凝露、發(fā)熱異常、材料老化發(fā)霉等環(huán)境缺陷問(wèn)題,設(shè)備結(jié)構(gòu)件和關(guān)鍵元器件在熱帶海島多種復(fù)雜環(huán)境因素影響下容易發(fā)生環(huán)境失效問(wèn)題[4-5],難以保障設(shè)備使用可靠性和電能計(jì)量的精準(zhǔn)性[6],給電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的正常運(yùn)行及使用帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。
環(huán)境適應(yīng)性是設(shè)備和材料的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[7],而當(dāng)前耐候性試驗(yàn)不滿足熱帶沿海地區(qū)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施實(shí)際工況需求[8],為此本文針對(duì)海島高溫、高濕、高鹽霧等復(fù)雜環(huán)境下電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的服役環(huán)境特征和可靠性開(kāi)展分析,基于熱帶海島環(huán)境因素對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施本體和關(guān)鍵部件的影響,對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施環(huán)境試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行分析,并提出針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施環(huán)境技術(shù)的結(jié)論和建議。
電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施可劃分為傳導(dǎo)式充電和無(wú)線充電兩大類,當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)多采用傳導(dǎo)式充電方式。傳導(dǎo)式充電設(shè)施主要包括非車(chē)載充電機(jī)和交流充電樁,電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的服役環(huán)境主要可劃分為室外和室內(nèi),見(jiàn)表1。
表1 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施服役環(huán)境劃分
表 2 環(huán)境因素導(dǎo)致的電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施故障分析
根據(jù)表1 所述,電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施大多安裝于戶外,長(zhǎng)期運(yùn)行于嚴(yán)酷自然環(huán)境下。在熱帶海島嚴(yán)酷環(huán)境下,與外部環(huán)境直接接觸的充電連接裝置、顯示屏等元件將直接受高溫、高濕、高輻照、高鹽霧等嚴(yán)酷環(huán)境影響,容易造成充電槍的電子鎖銹蝕、屏幕外殼材料老化等問(wèn)題。設(shè)備金屬防護(hù)外殼銹蝕、密封件老化會(huì)降低對(duì)內(nèi)部元器件的保護(hù)能力減弱,造成外部環(huán)境的滲透。當(dāng)內(nèi)部的功能模塊、電能表等部件將受到高濕、鹽霧等環(huán)境因素影響,容易造成接觸電阻和腐蝕速率的增加,導(dǎo)致發(fā)熱異常及絕緣故障等問(wèn)題[9-11],影響電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施使用可靠性。
電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施是一套復(fù)雜的系統(tǒng)集成設(shè)備,由各功能模塊、顯示屏、電能表、電氣元件等構(gòu)成,各部件和材料的使用可靠性問(wèn)題不容忽視。通過(guò)對(duì)海南省近1 年充電設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),列出了典型熱帶海島電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施故障樹(shù),見(jiàn)圖1。
圖2 內(nèi)部元件銹蝕嚴(yán)重
由圖1 可知,在熱帶海島電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施故障樹(shù)中,中間事件劃分為緊急故障和一般故障,按照故障程度的不同,緊急故障可分為鎖槍故障和絕緣故障等,該類安全問(wèn)題影響較大,需要重點(diǎn)處理。一般故障主要為部件故障,包括了充電設(shè)施的常用功能部件,可分為功能模塊、顯示屏、充電連接裝置和電能表。
通過(guò)對(duì)海南已失效的電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施進(jìn)行調(diào)研,選取典型失效部件進(jìn)行分析,了解部件故障的主要現(xiàn)象和原因,見(jiàn)表2。
上述分析可見(jiàn),電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的環(huán)境適應(yīng)能力直接影響設(shè)備的使用可靠性。在熱帶海島環(huán)境下需要重點(diǎn)考慮下列部件材料的環(huán)境適應(yīng)能力和耐久等級(jí):外殼防護(hù)性能、功能模塊的電子線路板和芯片的耐腐蝕性、電子鎖防銹性、顯示屏和充電連接裝置材料的耐老化性、內(nèi)部元器件的耐高溫性及充電設(shè)施整體環(huán)境防護(hù)技術(shù)的提升。
本章對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,包括非車(chē)載充電機(jī)和交流充電樁。產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)要求涉及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)以及電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等13 項(xiàng),見(jiàn)表3。
上述標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的環(huán)境試驗(yàn)方法和技術(shù)要求提出了相關(guān)規(guī)定,本章主要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中提出的環(huán)境試驗(yàn)方法和嚴(yán)酷度要求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,包括:高溫試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、防霉變?cè)囼?yàn)、防太陽(yáng)輻射試驗(yàn)、耐老化試驗(yàn)、耐腐蝕及防銹試驗(yàn)和防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)。
當(dāng)前部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的高溫試驗(yàn)方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定,按照國(guó)標(biāo)GB/T 2423.2-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2 部分:試驗(yàn)方法試驗(yàn)B:高溫》的規(guī)定,見(jiàn)表4。
表4 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的高溫試驗(yàn)要求
由表4 可以看出,上述標(biāo)準(zhǔn)的高溫試驗(yàn)均未考慮充電設(shè)施的運(yùn)行工況,充電設(shè)施尤其是非車(chē)載充電機(jī)在進(jìn)行快速充電時(shí),大功率作用下設(shè)備內(nèi)部溫度可能會(huì)升高至70 ℃以上,高于上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度。
當(dāng)前部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的交變濕熱試驗(yàn)方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定,按照國(guó)標(biāo)GBT 2423.4-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2 部分:試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Db: 交變濕熱試驗(yàn)方法(12 h+12 h 循環(huán))》的規(guī)定,見(jiàn)表5。
表5 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的交變濕熱試驗(yàn)要求
由表5 可以看出,不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)充電設(shè)施所規(guī)定的嚴(yán)酷度等級(jí)不同,交變濕熱試驗(yàn)主要驗(yàn)證設(shè)備或元器件在高濕度與溫度循環(huán)變化下設(shè)備能否正常運(yùn)行的能力,中電聯(lián)團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)主要面向高溫沿海地區(qū),雖然其嚴(yán)酷度要求相比其它標(biāo)準(zhǔn)有所提升,但仍不足以全面有效的反映充電設(shè)施在熱帶海島地區(qū)不同嚴(yán)酷環(huán)境下的耐久可靠性。
當(dāng)前部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的防鹽霧試驗(yàn)方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定,按照國(guó)標(biāo)GB/T 2423.17-2008 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2 部分:試驗(yàn)方法試驗(yàn)Ka:鹽霧》和GB/T 1771-2007《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測(cè)定》的規(guī)定進(jìn)行,見(jiàn)表6。
表6 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的防鹽霧試驗(yàn)要求
熱帶海島海鹽粒子濃度要高于內(nèi)陸地區(qū)約2~3 個(gè)數(shù)量級(jí)[4],高鹽霧環(huán)境更容易引起設(shè)備各種腐蝕性問(wèn)題,應(yīng)根據(jù)充電設(shè)施不同零部件的運(yùn)行環(huán)境不同而選擇不同的試驗(yàn)嚴(yán)酷度要求和耐久性分級(jí)評(píng)價(jià)方法。
當(dāng)前部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的防霉變?cè)囼?yàn)方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定,按照國(guó)標(biāo)GB/T 2423.16-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2 部分:試驗(yàn)方法 試驗(yàn)j 及導(dǎo)則:長(zhǎng)霉》的規(guī)定進(jìn)行,見(jiàn)表7。
表7 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的防霉變?cè)囼?yàn)要求
熱帶海島地區(qū)高濕、強(qiáng)降雨環(huán)境利于霉菌的生長(zhǎng)繁殖,造成設(shè)備表面污染,由表7 可以看出,當(dāng)前部分標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)熱帶海島充電設(shè)施防霉變?cè)囼?yàn)要求缺失。
當(dāng)前僅在團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的防太陽(yáng)輻射試驗(yàn)方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定,按照國(guó)標(biāo)GB/T 2423.24-2013《環(huán)境試驗(yàn)第2 部分試驗(yàn)方法試驗(yàn)Sa 模擬地面上的太陽(yáng)輻射及其試驗(yàn)導(dǎo)則》的程序B規(guī)定進(jìn)行,見(jiàn)表8。
表8 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的防太陽(yáng)輻射試驗(yàn)要求
據(jù)統(tǒng)計(jì),海南島年平均日照時(shí)數(shù)2 000 h,部分熱帶邊緣地區(qū)≥2 500 h,年平均太陽(yáng)輻射量6 000 MJ/m2,熱帶海島高強(qiáng)度的太陽(yáng)輻射和長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)日照影響著設(shè)備結(jié)構(gòu)和電氣性能,由表8 可以看出,當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)充電設(shè)施的防太陽(yáng)輻射試驗(yàn)要求的嚴(yán)酷度要求相較熱帶海島實(shí)際環(huán)境條件偏低,難以全面對(duì)應(yīng)熱帶海島地區(qū)充電設(shè)施的實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)。
當(dāng)前僅在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的耐老化試驗(yàn)方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定,按照國(guó)標(biāo)GB/T 11918.1-2014《工業(yè)用插頭插座和耦合器第1 部分通用要求》的規(guī)定進(jìn)行,見(jiàn)表9。
表9 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的耐老化試驗(yàn)要求
熱帶海島特殊環(huán)境會(huì)造成充電設(shè)施橡膠、熱塑性等材料的老化,將直接影響充電設(shè)施的性能。材料老化對(duì)充電設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行造成重大隱患,應(yīng)針對(duì)熱帶海島地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)提出耐老化試驗(yàn)方法,針對(duì)性提出防護(hù)措施,進(jìn)而提高抗老化材料應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和施工工藝導(dǎo)則。
當(dāng)前部分國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的耐腐蝕及防銹試驗(yàn)方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定,按照國(guó)標(biāo)GB/T 11918.1-2014《工業(yè)用插頭插座和耦合器第1部分通用要求》的規(guī)定進(jìn)行,見(jiàn)表10。
表10 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的耐腐蝕及防銹試驗(yàn)要求
熱帶海島特殊環(huán)境會(huì)造成充電設(shè)施腐蝕和金屬材料銹蝕,熱帶海島鹽霧中的氯離子對(duì)充電設(shè)施的金屬部分起到了腐蝕破壞作用,導(dǎo)致機(jī)械部件、操作機(jī)構(gòu)卡澀、失靈,同時(shí)濕氣、鹽霧、霉菌會(huì)腐蝕電路板導(dǎo)體,甚至造成無(wú)法挽回的短路。由表10 可以看出,當(dāng)前充電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)缺失多環(huán)境應(yīng)力下耐腐蝕與防銹試驗(yàn)的耐久可靠要求。
當(dāng)前部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定,按照國(guó)標(biāo)GB 4208-2017《外殼防護(hù)等級(jí)(IP 代碼)(IEC 60529,IDT)》的規(guī)定進(jìn)行,見(jiàn)表11。
表11 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)要求
在熱帶海島雨天過(guò)后,部分充電設(shè)施內(nèi)部有進(jìn)水現(xiàn)象,存在漏電等安全隱患,當(dāng)前的充電設(shè)施防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)偏低,亟需完善其密封性的耐久可靠驗(yàn)證。
根據(jù)上述電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的多類環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求可知:
1)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施整機(jī)環(huán)境試驗(yàn)提出相應(yīng)要求,試驗(yàn)周期短,缺乏關(guān)鍵部件的環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)要求和整體的耐久性試驗(yàn)評(píng)價(jià),與熱帶海島電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施服役壽命要求有較大差距。
2)環(huán)境試驗(yàn)方法均為單一因素試驗(yàn),沒(méi)有綜合考慮多種復(fù)雜環(huán)境因素對(duì)帶工況電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的影響,難以準(zhǔn)確驗(yàn)證設(shè)備在熱帶海島環(huán)境下的真實(shí)服役狀態(tài)。
3)部分環(huán)境試驗(yàn)要求缺失和試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)要求偏低:
①部分環(huán)境試驗(yàn)要求缺失,例如電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施耐老化試驗(yàn)要求,僅國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11918.1-2014《工業(yè)用插頭插座和耦合器第1 部分通用要求》針對(duì)充電連接裝置提出了規(guī)定,而面向熱帶海島地區(qū)的設(shè)備整機(jī)和其他關(guān)鍵部件的耐老化試驗(yàn)要求和耐久性評(píng)價(jià)要求缺失。
②部分試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)要求偏低,熱帶海島地區(qū)年平均相對(duì)濕度82 %,部分熱帶邊緣地區(qū)年平均日照時(shí)數(shù)≥2 500 h,年平均太陽(yáng)輻射量6 000 MJ/m2,且電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施尤其是非車(chē)載充電機(jī)在進(jìn)行快速充電時(shí),設(shè)備內(nèi)部溫度可能會(huì)升高至70 ℃以上,當(dāng)前部分標(biāo)準(zhǔn)的高溫試驗(yàn)、交變濕熱試驗(yàn)和防太陽(yáng)輻射試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)等環(huán)境試驗(yàn)難以適應(yīng)熱帶海島地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用要求。
本文通過(guò)分析熱帶海島電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施服役環(huán)境特征、可靠性和環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),得出以下結(jié)論:
1)通過(guò)故障樹(shù)分析,電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的使用安全問(wèn)題以及功能模塊、顯示屏、充電連接裝置和電能表等部件受環(huán)境因素影響較為嚴(yán)重,當(dāng)前充電設(shè)施在熱帶海島惡劣環(huán)境下的可靠性應(yīng)用效果有限,難以保障設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的可靠性使用。
2)當(dāng)前的電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均為單因素環(huán)境試驗(yàn)方法,部分試驗(yàn)規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)與設(shè)備實(shí)際使用情況存在較大差距,應(yīng)考慮多因素環(huán)境應(yīng)力在長(zhǎng)期綜合作用下對(duì)設(shè)備的影響,實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的精準(zhǔn)評(píng)估。
3)部分充電設(shè)施的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)對(duì)象不齊全,缺乏綜合環(huán)境試驗(yàn)、耐久性評(píng)價(jià)等試驗(yàn)要求和耐老化等試驗(yàn)對(duì)象要求,還需要針對(duì)熱帶熱帶海島環(huán)境應(yīng)用條件進(jìn)行研究完善。
基于上述結(jié)論,可進(jìn)一步分析得出適用于熱帶海島地區(qū)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的相關(guān)研究方向和建議:
1)開(kāi)展熱帶海島充電設(shè)施服役微環(huán)境在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用,精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)大功率充電設(shè)施在快速充電狀態(tài)下的設(shè)備內(nèi)部環(huán)境狀態(tài),開(kāi)發(fā)適用于熱帶海島環(huán)境電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施微環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
2)開(kāi)展熱帶海島電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施多因素綜合環(huán)境試驗(yàn)方法研究,開(kāi)發(fā)多因素綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備,完善不同應(yīng)用環(huán)境下設(shè)備整機(jī)、關(guān)鍵部件和材料的環(huán)境試驗(yàn)方法和嚴(yán)酷度要求,構(gòu)建電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施熱帶環(huán)境耐久性標(biāo)準(zhǔn)體系,提高設(shè)備使用可靠性。
3)針對(duì)熱帶海島環(huán)境特點(diǎn)開(kāi)展充電設(shè)施綜合環(huán)境、耐腐蝕等環(huán)境試驗(yàn)研究,完善熱帶海島不同環(huán)境應(yīng)力下充電設(shè)施的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)要求和嚴(yán)酷程度,構(gòu)建充電設(shè)施熱帶環(huán)境耐久性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),包括環(huán)境條件、試驗(yàn)方法、耐久性評(píng)價(jià)與分級(jí)等要求。